專利名稱：指紋圖像輸入裝置和利用指紋圖像的活體識別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及指紋圖像輸入裝置和利用指紋圖像的活體識別方法。更具體地說，指紋圖像輸入裝置和利用指紋圖像的活體識別方法，這種方法是根據(jù)手指被加入以后顏色的改變，確定在掃描下的手指是活的還是死的手指。
背景技術(shù)：
通常，指紋圖像輸入裝置已應(yīng)用于計算機安全之類的采用的指紋識別和用戶鑒別中。但就指紋識別而言，指紋圖像輸入裝置被用來識別死體以及活體。因為某些被指紋裝置對活體和死體不加區(qū)分，它們可能允許對計算機的未經(jīng)授權(quán)的訪問，例如，某人使用另一個人的鑒別手印的假冒品(復(fù)制品)。因此，如果指紋圖像輸入裝置能在活的手指和死的手指之間加以區(qū)分，就能防止這類對信息系統(tǒng)的未經(jīng)授權(quán)的訪問，從而保證ID的安全。因此，非常需要發(fā)展這類活體識別方法。
日本專利No.2708051(日本專利公布No.平3-087981)披露一種能區(qū)分活體和死體的指紋圖像輸入裝置。圖1表示在這個日本專利No.2708051中披露的裝置的主要構(gòu)件。這個指紋圖像輸入裝置包括光源101，透明單元102，反射鏡102a，透鏡103，孔徑103a，彩色CCD104，被采集指紋圖像處理器105，圖像采集電路105a，指紋識別電路105b，活體識別單元106，色彩偏差校正電路106a，色彩識別電路106b，和紅、綠、藍(lán)彩色分離電路107。
現(xiàn)在描述這一現(xiàn)有技術(shù)指紋圖像輸入裝置的操作。從光源101發(fā)射的光線，經(jīng)過透明裝置102照射手指。被手指散射的部分光，按圖1中的箭頭所示的方向前進，在反射鏡102a上被反射到達孔徑103a。已通過孔徑103a的光，經(jīng)透鏡103聚焦至彩色CCD104上。從彩色CCD104輸出的光，被紅綠藍(lán)分離電路107分離為紅、綠、藍(lán)三色圖像信息，然后進入活體識別單元106?；铙w識別單元106檢測因手指上壓力的增加而引起的手指顏色的變化，確定手指是活的還是死的手指。
明確地說，這項技術(shù)利用的是光反射率，在手指剛剛接觸檢測器表面的瞬間，與手指對抗檢測器表面而受壓的瞬間之間，光反射率有所變化。事實上，人手指的光反射率是在450-600nm波長范圍內(nèi)并有顯著不同，取決于手指是否受壓。在手指剛剛接觸檢測器表面的瞬間，指紋圖像呈現(xiàn)紅色，當(dāng)手指對抗檢測器表面而強烈受壓時，則呈現(xiàn)白色。色彩偏差校正電路106a和色彩識別電路106b根據(jù)不同的手指壓力引起指紋圖像中的色彩差異，確定手指是不是活的手指。如果手指被確定是活的，被采集指紋圖像處理器105中的指紋識別電路105b將它的指紋圖像，與事先登記在其中的指紋圖像進行比較。
另一種活體識別裝置被披露在日本專利No.2774313(日本專利公布No.平2-307176)中。這種活體識別裝置利用手指抵住透明裝置而受壓時的手指凹坑顏色的變化。它根據(jù)來自光源經(jīng)透明裝置至手指的照射光，從手指返轉(zhuǎn)的光反射率的變化，確定手指是活的還是死的。這種活體識別裝置做得較薄，在與透明裝置的上表面相對的底面的下面，設(shè)有光源，光電檢測器，聚焦裝置和波長選擇裝置，手指放置在它的上表面，手指下面還設(shè)有光引導(dǎo)裝置和光極化裝置。
另一種指紋圖像輸入裝置被披露在日本專利公布No.2000-20684中。它將來自活動掃描光源的探測光和參考光照射到與檢測器表面接觸的手指上。檢測單元輸出與已通過手指內(nèi)側(cè)的探測光強度相應(yīng)的電信號，和已通過手指內(nèi)側(cè)的參考光強度相應(yīng)的另一電信號。然后，活體識別單元根據(jù)由通光檢測單元提供的兩個電信號所代表的探測光和參考光強度，確定放置在檢測器表面的手指是活的還是死的手指。
這些現(xiàn)有技術(shù)的指紋圖像輸入裝置有下面一些缺點。
首先，很難以高可靠性識別活體?，F(xiàn)有的裝置根據(jù)與手指壓力的強和弱相應(yīng)的指紋圖像顏色，來確定手指是活的還是死的。但是，就指紋識別來說，需要一些判據(jù)。雖然在前述專利申請中沒有描述具體的判據(jù)，但一般是當(dāng)手指所呈現(xiàn)的顏色變化大于一預(yù)定閥值時，手指就被判定為活的。
然而，在周圍溫度低的時候，手指在凹陷之前呈現(xiàn)白色，因此手指的顏色不會有多大變化。當(dāng)手指輕微壓上檢測器時，顏色的變化也小。在這種情況下，令人擔(dān)心的是所獲得的顏色變化小于預(yù)定的閾值，裝置便錯誤地將活的手指判定為死的。除此以外，識別可靠性與手指受到強壓力期間如何采集指紋圖像有很大關(guān)系。
在日本專利No.2708051(日本專利公布No.平3-087981)中，有“利用圖像檢測裝置穩(wěn)定地檢測指紋圖像”的描述。但沒有披露判定圖像穩(wěn)定與否的具體手段。依賴于放置在檢測器表面上的手指的狀態(tài)，甚至活的手指所發(fā)生的顏色變化也可能不會大到足以識別的程度。現(xiàn)有技術(shù)裝置有這樣的一個缺點，即進行可靠活體識別的能力差。
其次，現(xiàn)有技術(shù)裝置有另一缺點，即由于它們需要聚光系統(tǒng)，所以難以縮減體積。因此，不容易把它的裝入移動式設(shè)備，例如峰窩式電話和個人數(shù)字助理。聚光系統(tǒng)需要透鏡，透明體，反射鏡和其他部件，用以導(dǎo)光和產(chǎn)生幾乎不失真的圖像。因此，這種聚光系統(tǒng)變得象手指寬度那么厚。在橫的方向，為了聚集，透鏡必須離開CCD至少10mm。因此，不可能把現(xiàn)有技術(shù)裝置裝入很小的空間，例如1mm厚和20mm寬。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種指紋圖像輸入裝置和利用能以高可靠度識別活體的指紋圖像的活體識別方法，裝置小到足可裝入移動式設(shè)備中。
根據(jù)本發(fā)明的指紋圖像輸入裝置包括圖像輸入單元，其用于順次地采集按壓在檢測器表面上的手指的多重指紋圖像；顏色檢測單元，其用于與多重指紋圖像的輸入同步地檢測手指的顏色；壓力檢測單元，其用于當(dāng)多重指紋圖像被采集時，檢測反映手指施加于檢測器表面的壓力的物理量；和判定單元，其用于通過分析物理量和手指顏色之間的相關(guān)性，判定手指是活的還是死的手指。
顏色檢測單元可包括用于計算在多重指紋圖像中的每一圖像中心的特定面積的色彩平均值的電路。
壓力檢測單元可包括用于處理指紋圖像的電路，物理量是與接觸檢測器表面的手指面積有關(guān)的量。
壓力檢測單元可以是位于圖像輸入單元的背面或外圍的壓力傳感器。
圖像輸入單元可以是形成在透明襯底上，并對電容或壓力敏感的指紋圖像傳感器，指紋圖像傳感器具有處于其背面的光源和彩色傳感器。
圖像輸入單元可以具有帶有手指接觸面的棱鏡；光源，其向棱鏡發(fā)射光線，在傾斜方向照射手指；和光學(xué)系統(tǒng)，其聚焦從圖像傳感器的手指接觸面返轉(zhuǎn)的光。
根據(jù)本發(fā)明另一方面的指紋圖像輸入裝置，包括彩色圖像傳感器，其用于采集與圖像輸入表面緊密接觸的手指指紋的彩色圖像數(shù)據(jù)；圖像臨時存儲單元，其用于存儲指紋圖像數(shù)據(jù)；面積信息提取單元，其用于從指紋圖像數(shù)據(jù)中提取指紋的面積信息；色彩信息提取單元，其用于提取指紋的色彩信息；和活體識別單元，其用于通過檢驗面積信息和色彩信息之間的相關(guān)，參照預(yù)定的閾值以及為每種預(yù)定顏色所計算出的指紋面積的相關(guān)系數(shù)，判定手指是活的還是死的手指。
上述面積信息提取單元，能通過從指紋圖像數(shù)據(jù)中提取的指紋脊和谷的計算，和指紋的脊和谷區(qū)的面積的計算，提取指紋的面積信息；色彩信息提取單元，能進行選擇指紋特定面積例如指紋的中心區(qū)面積的計算，和進行在特定面積上每一紅(R)、綠(G)和藍(lán)(B)的平均水平的計算。
根據(jù)本發(fā)明的基于指紋的活體識別方法，包括步驟采集與圖像輸入表面接觸的手指的彩色指紋圖像數(shù)據(jù)；在臨時存儲器中存儲指紋圖像數(shù)據(jù)；從指紋圖像數(shù)據(jù)中提取指紋的面積信息；提取指紋的色彩信息；和通過檢驗面積信息和色彩信息之間的相關(guān)，參照預(yù)定的閾值以及為每種預(yù)定色彩所計算出的指紋面積的相關(guān)系數(shù)，判定手指是活的還是死的手指。
上述面積信息提取的步驟，能通過從指紋圖像數(shù)據(jù)中提取指紋脊和谷的計算，和指紋的脊和谷區(qū)的面積的計算，提取指紋的面積信息；色彩信息提取的步驟，能進行選擇指紋特定面積例如指紋的中心區(qū)面積的計算，和進行在特定面積上每一紅(R)、綠(G)和藍(lán)(B)的平均水平的計算。


圖1是說明性的圖，表示現(xiàn)有技術(shù)指紋圖像輸入裝置的主要構(gòu)件；圖2是表示根據(jù)本發(fā)明第一實施例的指紋圖像輸入裝置的主要構(gòu)件和基于指紋的活體識別方法的示意圖；圖3是表示根據(jù)本發(fā)明第一實施例中的活體識別的原理的示意圖；圖4是表示根據(jù)本發(fā)明第一實施例中的活體識別的原理的示意圖；圖5是表示根據(jù)本發(fā)明第一實施例中的活體識別的原理的示意圖；圖6是表示根據(jù)本發(fā)明第一實施例中的活體識別的原理的示意圖；圖7是表示本發(fā)明第一實施例的應(yīng)用實例中產(chǎn)生的指紋圖像面積和色彩的變化的示意圖；圖8是表示在本發(fā)明第一實施例的應(yīng)用實例中產(chǎn)生的指紋圖像面積和色彩之間的相關(guān)性的示意圖；圖9是本發(fā)明的第四實施例的示意圖；圖10是本發(fā)明的第五實施例的示意圖；圖11是表示根據(jù)本發(fā)明第六實施例的主要構(gòu)件的示意圖；圖12是表示在本發(fā)明的第六實施例中的指紋圖像面積和色彩的變化的示意圖；圖13是表示在本發(fā)明的第六實施例中的指紋圖像面積和色彩之間的相關(guān)性的示意圖；圖14是說明裝置操作的實例流程圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在，將參考附圖，在下面描述指紋圖像輸入裝置和基于指紋的活體識別方法。
圖2表示根據(jù)本發(fā)明第一實施例的指紋圖像輸入裝置的結(jié)構(gòu)，該指紋圖像輸入裝置具有手指所按壓的檢測器表面，并包括彩色圖像傳感器10，其獲取按下檢測器表面的手指的彩色圖像；圖像臨時存儲單元20，其臨時存儲器彩色圖像傳感器10的檢測信號；面積信息提取單元30，其從圖像臨時存儲單元20的輸出信號中提取面積信息；色彩信息提取單元30，其從圖像臨時存儲單元20中提取色彩信息；圖像存儲單元50，其將圖像臨時存儲單元20的輸出信號作為圖像存儲；活體識別單元60，其根據(jù)從面積信息提取單元30和色彩信息提取單元30發(fā)送來的面積和色彩信息，確定手指是否活的手指；以及指紋識別單元70，其根據(jù)圖像存儲單元50和活體識別單元60的輸出信號識別指紋。
當(dāng)手指按壓檢測器表面(圖像輸入表面)時，彩色圖像傳感器10采集于手指的圖像。由于在這種結(jié)構(gòu)中不需要聚光系統(tǒng)，所以傳感器可做得很薄。在下面提及的日本專利公布中所披露的結(jié)構(gòu)，也可適用作彩色圖像傳感器10的結(jié)構(gòu)。
第一，如日本專利No.2025659所披露的，平面光源與在透明襯度上以等間隔排列的多個光電檢測器耦合，以形成兩維傳感器單元。讀平面光源具有與液晶顯示器采用的背面光相同的結(jié)構(gòu)。例如，在光導(dǎo)板末端排列有發(fā)光二極管(LED)的結(jié)構(gòu)中，光導(dǎo)板引導(dǎo)光線向板的邊緣入射，并使光線擴散，充當(dāng)平面光源。另一種方法，平面光源也可由兩個電極之間夾以場致發(fā)光(EL)材料而制成。在透明襯底上形成的兩維傳感器單元的組成是光電檢測器，例如光電二極管；光電導(dǎo)體，其由非晶硅(a-si)，例如光敏材料制成，和由在單個光電檢測器中形成的薄膜晶體管(TFT)制成，用于信號讀出。
第二，如日本專利No.3008859所披露的，兩維傳感器單元具有多個等間隔排列的光電檢測器；和光發(fā)射器件，其中每一個光發(fā)射器件小于光電檢測器，被安排在各個光電檢測器與手指之間。這種光發(fā)射器件由兩個夾以EL材料的電極組成。
第三，如日本專利申請No.2001-034571所披露的，多個光發(fā)射器件和光電檢測器兩維地排列在襯底上，充當(dāng)顯示裝置和光源，每個光發(fā)射器的光強是受控制的。
上述彩色圖像傳感器10響應(yīng)外部控制信號開始指紋圖像數(shù)據(jù)的輸出，在預(yù)定的時間中連續(xù)地發(fā)出指紋圖像數(shù)據(jù)，然后，停止數(shù)據(jù)輸出。
圖像臨時存儲單元20臨時存儲從彩色圖像傳感器10連續(xù)傳送來的手指的指紋圖像數(shù)據(jù)。這個存儲單元20可由半導(dǎo)體存儲器制成，例如可高速地進行寫/讀的DRAM和SRAM。存儲在圖像臨時存儲單元20的指紋圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至面積信息提取單元30、色彩信息提取單元30和圖像存儲單元50。
面積信息提取單元30包括提取指紋圖像的面積信息的計算電路。明確地說，例如，這是一種計算電路，用于提取指紋圖像的脊線和谷線，以及計算存在脊線和谷線的面積。另一方面，它可以是一種以單一的閾值電平進行兩個電平的圖像處理的計算電路(對于值等于或大于閾值的象素將象素值變?yōu)椤?”，對于值小于閾值的象素將象素質(zhì)值變?yōu)椤?”)，并且使用這樣的象素數(shù)目作為面積信息。如后面將要詳細(xì)描述的，應(yīng)該選用適合彩色圖像傳感器10特性的計算電路，以提取面積信息。面積信息提取單元30包括這樣的電路，通過該電路，將連續(xù)地獲得的指紋圖像的指紋面積S(t)發(fā)送給圖像存儲單元50和活體識別單元60。
色彩信息提取單元40包括提取指紋色彩信息的計算電路。具體地說，這種電路選取指紋的特定面積，例如指紋的中心面積，以及計算特定面積中每個紅(R)，綠(G)和藍(lán)(B)顏色的平均值。另外，色彩信息提取單元40還包括一種電路，它將順序的指紋圖像數(shù)據(jù)的每種顏色(R，G，B)的輸出Ci(t)(i＝R，G，B)或平均值發(fā)送至活體識別單元60。
圖像存儲單元50包括估算S(t)或面積信息提取單元30的輸出電路；和電路，其在指紋面積已到達最大值時，接收指紋圖像數(shù)據(jù)并在此保存這個數(shù)據(jù)。它還具有電路，其在指紋面積已到達最大時，將控制信號發(fā)送至彩色圖像傳感器10，停止圖像采集。除此以外，它還具有電路，其響應(yīng)來自活體識別單元60的控制信號，將所存儲的指紋圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至指紋識別單元70。
活體識別單元60包括電路，其接收從面積信息提取單元30發(fā)送來的指紋面積S(t)，和接收從色彩信息提取單元30發(fā)送來的在順序的指紋圖像中每種顏色的平均Ci(t)(i＝R，G，B)，然后，估算色彩信息與面積信息之間的相關(guān)?；铙w識別單元60還包括電路，其根據(jù)預(yù)定的閾值和與每種顏色所計算得的面積的相關(guān)系數(shù)，確定手指是活的還是死的。另外，活體識別單元60還具有電路，其產(chǎn)生控制信號，用于將保存在圖像存儲單元50中的指紋圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至指紋識別單元70，在確定手指是活的時，開始指紋識別的計算。
指紋識別單元70具有電路，其接收從圖像存儲單元50發(fā)送來的指紋圖像數(shù)據(jù)，將指紋圖像數(shù)據(jù)寄存，作為單獨的信息，并把該圖像與先前寄存在這里的指紋圖像進行比較。
下面，參考圖2至6和圖14，將描述根據(jù)第一實施例的指紋圖像輸入裝置和基于指紋的活體識別方法是怎樣工作的。圖3至6是說明性的圖，表示指紋圖像輸入裝置和基于指紋的活體識別方法的活體識別功能的工作原理。圖14是說明它的操作實例的流程圖。
首先，如圖14所示，手指放在彩色圖像傳感器10上(步驟S1)。作用在彩色圖像傳感器10上的壓力被檢測，然后，采集手指的圖像數(shù)據(jù)(步驟S2)。從采集的圖像數(shù)據(jù)中提取面積信息S(t)(步驟S3)，也提取色彩信息Ci(t)(步驟S4)。上述步驟S2至S4重復(fù)到手指壓力變成最大值(步驟S5/否)。當(dāng)手指壓力被確定已到達最大值時(步驟S5/是)，活體識別處理完成(步驟S6)。上述步驟在下面進一步詳細(xì)描述。
圖3表示從手指放到彩色圖像傳感器10的瞬間至手指離開傳感器的瞬間所看到的手指的一系列行程。在圖3中，時間是從左至右進行的。在手指接觸之后立即采集的指紋圖像是小面積的。隨著手指壓力的增長，指紋的面積增加，在到達最大值之后，手指壓力與指紋面積一起減小。最后，手指離開傳感器。
圖4示意性地的說明在上述手指系列運動期間，手指的面積是如何改變的，這是從面積信息提取單元30輸出的S(t)。同時，圖5表示一個原理圖，說明指紋中心面積在色彩上的變化，這是從色彩信息提取單元40輸出的Ci(t)(i＝R，G，B)。圖6原理性的說明由活體識別單元60提供的S(t)與Ci(t)之間的相關(guān)，當(dāng)具有比預(yù)定值強的相關(guān)值時，活體識別單元60確定手指是活性的。然后，指紋信息寄存到指紋識別單元70，或者與先前所寄存的指紋信息進行比較。
下面的描述將參考一些實際數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和閾值設(shè)置的實例，說明從指紋圖像輸入到活體識別的步驟。彩色圖像傳感器10包括白光源；兩維圖像傳感器，其裝備有對所有象元中每個R，G，B(紅，綠，藍(lán))色彩濾光的彩色濾光器；和指紋輸入面(手指接觸的表面)。該指紋輸入面是一塊光纖板，其是一束多個熔合的纖維，已切割為1mm厚度并被拋光。兩維圖像傳感器在具有1024×768象素的256個灰度級上輸出獨立的R，G，B圖像。光學(xué)纖維板是由一束光纖(直徑為25μm，數(shù)字口徑為0.57μm)制成，該光纖與填充在其間的光吸收材料熔合在一起。
(應(yīng)用實例)下面是一個部分修改圖2結(jié)構(gòu)的實例，用于獲得從手指接觸傳感器表面的瞬間和手指離開傳感器的瞬間所看到的手指一系列行程。在這個結(jié)構(gòu)中，停止圖像采集的控制信號，在手指已離開傳感器表面的瞬間，或在指紋面積再次變成“0”的瞬間，而不是提取的指紋圖像的面積變成最大的瞬間，被發(fā)送至彩色圖像傳感器10。
由此可見，從手指已接觸傳感器的瞬間到手指已離開傳感器的瞬間，所得到的一系列指紋圖像被采集，面積信號S(t)和平均彩色信號Ci(t)從所獲得指紋圖像中提取。為了產(chǎn)生面積信號S(t)，通過平均RGB的象素值，提供RGB彩色的各個指紋圖像，然后將原始圖像轉(zhuǎn)換為兩個電平的灰度級指紋圖像。兩個電平之一的象素值用作面積值。這兩個電平轉(zhuǎn)換的閾值被設(shè)置為“140”。同時，Ci(t)或平均彩色信號是通過平均指紋圖像中心面積(指紋螺環(huán)的128×128象素面積)中每一色彩的象素值給出的。
圖7表示用上述方法計算的面積信號S(t)和平均彩色信號Ci(t)。在圖7中，橫軸指示所采集的指紋圖像的序號。在手指接觸傳感器表面的瞬間與手指離開傳感器的瞬間之間獲取的一系列指紋圖像被給以序號。所鏈接的菱形表示面積信號S(t)，其標(biāo)度表示在左側(cè)。具體地說，在這15個指紋圖像中，S(t)從約1.1×10+5增加至2.0×10+5，然后減小。另一方面，平均彩色信號Ci(t)由3行未連線的斷續(xù)標(biāo)記表示，其標(biāo)度示于右側(cè)。R，G，B的Ci(t)幅度按從最大到最小的次序排列。這還表示Ci(t)與S(t)一道改變。除在第四和第十三個彩色信號產(chǎn)生間斷變化以外，在Ci(t)和S(t)之間存在正相關(guān)。
圖8是將圖7數(shù)據(jù)繪制成軸線由S(t)和Ci(t)表示的圖。圖8指示在面積與所有彩色象素值之間，存在高度的相關(guān)關(guān)系。曲線圖中的數(shù)字是三種顏色的平均彩色信號與面積之間的相關(guān)系數(shù)，是由15個圖像計算而得到的。G，B，R的相關(guān)系數(shù)按從最大到最小的次序排列。雖然在面積小時，彩色信號有所起伏，但是隨著面積增長，相關(guān)逐漸增強。大于某一數(shù)值的面積信號表示與所有彩色中的彩色信號有很強的相關(guān)關(guān)系。
根據(jù)上述結(jié)果，我們能夠設(shè)置一個判據(jù)，用以判定手指是活的還是死的手指。例如，如果綠色信號與面積之間的相關(guān)系數(shù)是0.9或更大，則可做出這類判決，確定手指是活的。另一方面，我們能決定一個判據(jù)，與面積的相關(guān)系數(shù)按從最高到最小的排列是綠、藍(lán)、紅；或者一個判據(jù)，與面積的相關(guān)系數(shù)按最高到最小的排列是綠、蘭、紅、同時綠信號的相關(guān)系數(shù)是0.9或更高。各種不同的判據(jù)可以這樣來設(shè)置。當(dāng)判據(jù)變得嚴(yán)格時，誤識別可能出現(xiàn)，但安全性等級變得較高。在上述判據(jù)的實例中，第三種判據(jù)是最嚴(yán)格的。
允許什么范圍的誤識別和應(yīng)當(dāng)提出什么級別的指紋安全性，取決于使用什么樣的指紋傳感器。例如，利用家用計算機互聯(lián)網(wǎng)的瀏覽主頁不需要高級別的安全性，但是誤識別的余量將是小的。同時，當(dāng)人們用公共場所的一個自動終端，例如本發(fā)辦公室，發(fā)出一份證明書時情況將相反。換句話說，本地辦公室要求比較嚴(yán)格的活體識別判據(jù)。由此可見，應(yīng)當(dāng)根據(jù)指紋傳感器的每一應(yīng)用來選擇合適的判據(jù)。選擇判據(jù)的方法類似于指紋識別選擇判據(jù)的方法。
應(yīng)當(dāng)注意到，圖7和8中所示的特性顯著地伴隨彩色圖像傳感器10的特性而變化。因為圖7所示的曲線相當(dāng)大地取決于所采用的彩色圖像傳感器的特性，所以，確定手指是活的還是死的，其判據(jù)應(yīng)當(dāng)根據(jù)圖8中獲得的相關(guān)性來建立。這一點將參考幾個專門的實例，在第二實施例中說明。
概括地說，根據(jù)本發(fā)明，由于手指放在傳感器的表面上，所以，面積和色彩信息從順序采集的多重圖像中提取，并且面積信息和色彩信息之間的相關(guān)，被用來確定手指是活的還是死的。因此，比之現(xiàn)有技術(shù)指紋圖像輸入裝置，根據(jù)在手指壓力強時和弱時所采集的兩幅指紋圖像的顏色區(qū)分活的手指和死的手指，本發(fā)明中的活體識別能以更高的可靠性實現(xiàn)。在現(xiàn)有技術(shù)的裝置中，因為不清楚怎樣確定何時手指的壓力大，所以有一種擔(dān)心，可能因輸入圖像不穩(wěn)定性而降低識別的可靠性。本發(fā)明的指紋輸入裝置的厚度是平面光源的厚度和彩色圖像傳感器的厚度的總和，例如，近似1-2mm。與現(xiàn)有技術(shù)厚度如手指一樣的裝置相比較，本發(fā)明的裝置非常薄。當(dāng)裝置被安裝在移動式設(shè)備和類似裝置中時，這將是很大的優(yōu)點。
下面，將描述本發(fā)明的第二實施例。在上述本發(fā)明的第一實施例中，圖2的結(jié)構(gòu)用在檢驗從一系列指紋圖像中提取的面積信息和色彩信息之間的相關(guān)的單元中。但是，實現(xiàn)這一功能的電路不限于上述實例。例如，該功能可由這樣一種電路實現(xiàn)，即一系列指紋圖像存儲在大容量存儲電路中，在提取面積信息和色彩信息，以及實施指紋識別步驟的期間，再將這種圖像信息從存儲電路中取出來。另外，除圖2的彩色圖像傳感器10以外的所有或部分構(gòu)件，可以用例如個人計算機中的中心處理單元(CPU)和存儲器代替，以便實現(xiàn)同樣的功能。因此，這種結(jié)構(gòu)包括在本發(fā)明的變形中。
下面，將描述本發(fā)明的第三實施例。在本發(fā)明的第一實施例中，在手指已接觸傳感器表面的瞬間與指紋面積最大的瞬間之間，或者在手指已接觸傳感器表面的瞬間與手指已離開傳感器表面的瞬間之間的一系列指紋圖像已被采集。但是，還有另外一些采集一系列指紋圖像的方法?；诿娣e信息和色彩信息之間的相關(guān)的活體識別，可利用手指壓力增加或減小的過程之一的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。另一種方法，相關(guān)信息可從手指多次按壓傳感器的過程中采集的一系列指紋圖像中，提取類似信息而獲得。在這種情況下，由于有允許傳感器用戶調(diào)整作用到傳感器的手指壓力，和將手指的中心精確地放置在傳感器的表面上的優(yōu)點，所以能夠以高穩(wěn)定性采集到清楚的指紋圖像。這種結(jié)構(gòu)屬于本發(fā)明的變形。
下面，將說明本發(fā)明的第四實施例。雖然在上述實施例中，面積信息已經(jīng)從指紋圖像中提取，但是，手指的壓力可直接代表面積而被檢測。圖9表示這種結(jié)構(gòu)的第四實施例。這個指紋圖像輸入裝置包括彩色圖像傳感器10，圖像臨時存儲單元20b，色彩信息提取單元30，圖像存儲單元50b，活體識別單元60b，指紋識別單元70和壓力傳感器80。
在圖9和圖2中，相同功能的構(gòu)件具有相同的編號。圖9的特點是在彩色圖像傳感器10的背面安裝了壓力傳感器80。壓力傳感器80的背面固定在一個部件上(未示出，例如，裝置的機架部件)，該傳感器輸出一個信號P(t)，其正比例于加在彩色圖像傳感器10上的壓力。信號P(t)的作用類似于圖2中的面積信號S(t)，P(t)被發(fā)送至圖9中的活體識別單元60b和圖像存儲單元50b?；铙w識別單元60b檢驗信號P(t)與平均彩色信號Ci(t)之間的相關(guān)。其它的操作與圖2結(jié)構(gòu)中的操作相同，活體識別能以與圖2的結(jié)構(gòu)獲得的同樣高的可靠性實現(xiàn)。另一方面，這個裝置的圖像輸入裝置變得比圖2的彩色圖像傳感器厚出壓力傳感器80的厚度，至少是1-2mm，或者比圖2的圖像輸入裝置還要大一點。另外，與圖2的結(jié)構(gòu)比較，這種結(jié)構(gòu)有需增加必要部件數(shù)目的缺點，因為已增加了壓力傳感器。
下面，將描述本發(fā)明的第五實施例。在另一個變形中，可安裝專用于提取色彩信息的彩色傳感器。圖10表示這種結(jié)構(gòu)的第五實施例。該指紋圖像輸入裝置包括指紋圖像傳感器10c，光源11c，彩色傳感器12c，圖像臨時存儲單元20c，面積信息提取單元30，圖像存儲單元50，活體識別單元60和指紋識別單元70。
在圖10和圖2中，相同功能的構(gòu)件具有相同的編號。圖10的特點是光源11c和彩色傳感器12c，它們安裝在指紋圖像傳感器10c的背面。這種指紋圖像傳感器10c，在透明襯底上形成，需要通過設(shè)在透明襯底背面的光入射部件，但不一定是彩色圖像傳感器。例如，它可以是單色光學(xué)圖像傳感器，或者在透明襯底上形成的電容敏感指紋圖像傳感器，例如日本專利No.295932中所披露的。
電容敏感傳感器的細(xì)節(jié)在上述日本專利公布中被披露。在原理上，通過檢測在手指表面與安裝在象素中的電極之間建立的電容，手指表面的凹的/凸的信息被采集作為圖像。另一種方法，指紋圖像傳感器10c可以是在透明襯底上形成的并檢測壓力分布的指紋圖像傳感器。這依賴于后面的操作原理。兩維排列的象素電極和電阻隨其壓力而變化的薄膜層，層疊在開關(guān)器件上。由手指接觸引起的部件的壓力分布，或者手指表面的凹/凸的信息，或者指紋圖像，通過檢測流入各個象素電極的電流進行采集。
電阻隨其壓力而變化的薄膜和形成在透明襯底上的象素電極，可用作圖10所示結(jié)構(gòu)的指紋圖像傳感器10c。白色光發(fā)射二極管被推薦為光源11c。光電二極管，例如，對紅，綠和藍(lán)波長的峰值敏感的二極管被推薦為彩色傳感器12c。這些器件如此來排列，使得來自光源的光可通過指紋圖像傳感器照射到手指的中心，并且由手指散射的光，可被彩色傳感器12c檢測。
彩色傳感器12c的輸出Ci(t)發(fā)送至活體識別單元60，用于檢驗與面積信號S(t)的相關(guān)，如同圖2的情況。后面的操作類似于圖2所示的操作，能夠以高可靠性完成活體識別。但是，圖10的結(jié)構(gòu)與圖2的結(jié)構(gòu)相比，光源11c和彩色傳感器12c使得器件至少加厚近似1mm，導(dǎo)致必集性方面有所不足。另外，由于構(gòu)件數(shù)目增加，這種結(jié)構(gòu)差于圖2的結(jié)構(gòu)。
在圖2的結(jié)構(gòu)中，由于指紋圖像輸入裝置只由彩色圖像傳感器10組成，所以，它在外表上與不具備識別活體功能的指紋圖像傳感器沒有區(qū)別。因此，能夠不增加構(gòu)件數(shù)目而提高安全性級別。并且即使為了重新設(shè)計而把器件拆下，要弄明白活體識別的原理也是困難的。圖9和圖10中所示的結(jié)構(gòu)分別需要壓力傳感器和彩色傳感器，從裝置安全性方面說，不具有這類優(yōu)點。但是，這些結(jié)構(gòu)都是根據(jù)本發(fā)明的原理，根據(jù)指紋圖像的色彩信息與面積信息之間的相關(guān)，進行活體識別。因此，圖9和圖10所示的結(jié)構(gòu)被包括在本發(fā)明的變形中。
在上述實施例中，白色光源和彩色傳感器已被用來采集指紋的色彩信息。但是，同樣的功能也可由這樣一種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，其利用發(fā)射不同波長光源和傳感器，或?qū)蝹€波段敏感的光電檢測器，通過經(jīng)常地切換光源的波長，檢測色彩信息。這樣，在不違背本發(fā)明的范圍的情況下，各種構(gòu)件都可被采用，或用其他的構(gòu)件替換。
在本發(fā)明的第一實施例中，色彩和面積信息已從薄的彩色圖像傳感器所采集的指紋圖像中提取。這可滿足本發(fā)明的兩個主要目的，即活體識別的可靠性改善和器件的有效縮小。如果沒有縮小尺寸的強制要求，或器件小到足可裝入硬件例如鼠標(biāo)和鍵盤，則各種其他的指紋圖像傳感器都可被采用。下面描述的是利用現(xiàn)有技術(shù)的裝有棱鏡的光學(xué)指紋圖像傳感器的第六實施例。
圖11是說明本發(fā)明的第六實施例的結(jié)構(gòu)圖，該指紋圖像輸入裝置包括彩色圖像傳感器10d，聚光系統(tǒng)11d，棱鏡12d，光源13d，圖像臨時存儲單元20，面積信息提取單元30，色彩信息提取單元40，圖像存儲單元50，活體識別單元60和指紋識別單元70。
在圖2和圖11中，相同功能的構(gòu)件具有相同的編號。圖11的特點是彩色指紋圖像采集裝置使用彩色圖像傳感器10d，聚光系統(tǒng)11d，棱鏡12d和光源13d。具體地說，彩色圖像傳感器10d可以是彩色CCD，聚光系統(tǒng)11d可以是透鏡，光源13d可以是白色光發(fā)射二極管。
在這種光完全內(nèi)反射的結(jié)構(gòu)中，提供有高對比度的指紋圖像。下面，對圖像對比度為什么被提高的原因進行簡要的描述。如圖11所示，從光源13d發(fā)射的光照射放置在棱鏡12d上的手指。因為指紋的凹線不接觸棱鏡12d，所以，光全部被反射到棱鏡12d的上表面，并幾乎所有的光通過聚光系統(tǒng)11d到達彩色圖像傳感器10d。另一方面，由于指紋的脊線將入射光散射到手指上，所以，到達彩色圖像傳感器10d的光的強度變低。因此，指紋的凹線與脊線之間的對比度提高。并且，以后的指紋圖像處理變得更容易實施。
圖12和圖13表示從一系列指紋圖像提取的面積信息和色彩信息之間的相關(guān)，如同圖2的情況。在提取面積信息時，閾值設(shè)置為“128”，用于將指紋圖像轉(zhuǎn)換為兩個電平的圖像，而面積信息S(t)設(shè)置為象素值為1的象素個數(shù)。色彩信息的提取與圖2相同。
在圖12中，橫軸表示指紋圖像的順序號。手指在傳感器表面輕按幾次，被采集的圖像就給以順序號。被連接的菱形標(biāo)記表示面積信息，其標(biāo)度顯示在左側(cè)。指紋圖像順序號26指示手指按壓傳感器表面26次，三行未連線的斷續(xù)標(biāo)記表示平均色彩信號Ci(t)，其標(biāo)度表示在右側(cè)。圖13是一個將圖12的數(shù)據(jù)繪制成軸線由S(t)和Ci(t)表示的圖。圖中數(shù)字是由26幅圖像計算的三種顏色的平均彩色信號與面積信號之間的相關(guān)系數(shù)。藍(lán)色(B)的相關(guān)系數(shù)最大，與紅色(R)的面積不相關(guān)。綠色(G)的相關(guān)系數(shù)處于藍(lán)色與紅色之間。當(dāng)面積小時，色彩色信號有所起伏。雖然藍(lán)色和綠色的相關(guān)系數(shù)小于圖2的相關(guān)系數(shù)，但是，設(shè)置低的閾值，就有可能根據(jù)相關(guān)系數(shù)確定手指是活的還是死的，紅色的情況除外。
采集指紋的光學(xué)系統(tǒng)中的差別是圖12至13與圖8之間的相關(guān)有顯著不同的原因。在圖11的光學(xué)系統(tǒng)中，其具有全部內(nèi)反射提高對比度的優(yōu)點，大多數(shù)光的指紋凹線到達彩色圖像傳感器，而來自脊線的光相當(dāng)小。因為脊線的散射產(chǎn)生手指的色彩信息，所以，相關(guān)系數(shù)可能變小或接近零，如紅色的情況。另一方面，在圖2的光學(xué)系統(tǒng)的情況下，由指紋凹線和脊線兩者散射的光被檢測。因此，因手指壓力變化而引起的色彩變化精確地被檢測。如這些實例所示，重要的是選擇適合于用來采集指紋圖像的光學(xué)系統(tǒng)類型的判據(jù)。
上述實施例具有超過現(xiàn)有技術(shù)器件的優(yōu)點，其根據(jù)手指接觸檢測器表面的瞬間之后，至手指壓力變大時，這期間手指顏色的變化，確定手指是活體的還是死體的。
第一，在現(xiàn)有技術(shù)裝置的情況下，當(dāng)手指顏色變化不了多少時，不能以高可靠性進行活體識別?；蛘呤遣磺宄谑种笁毫Υ蟮臅r候如何獲取指紋圖像。因此，受與手指與檢測器表面接觸時的運動有關(guān)的次要因素的影響，活的手指甚至不可能產(chǎn)生大到足以正確識別的顏色變化。但是，在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，面積信息和色彩信息從多重指紋圖像中被提取，這些指紋圖像是從手指剛接觸檢測器表面時開始采集的，并且，活體識別的進行是根據(jù)面積信息和色彩信息之間的相關(guān)。因此，即使手指顏色的變化小，如果與反映手指壓力的指紋面積這樣的信息有足夠的相關(guān)，活的手指就會被識別為活體。在現(xiàn)有技術(shù)裝置中，不清楚在手指壓力大的時候如何獲取指紋，因此，擔(dān)心由于輸入圖像不穩(wěn)定，可能使識別可靠性降低。但是，本發(fā)明已利用面積信息解決了這個問題。因此，與現(xiàn)有技術(shù)裝置相比，本發(fā)明使我們能以高可靠性進行活體識別。
第二，本發(fā)明的指紋的輸入單元的厚度近似為1--2mm，由平面光源的厚度和彩色圖像傳感器的厚度的總和確定。與厚如手指的現(xiàn)有技術(shù)裝置相比，是非常薄的。當(dāng)指紋圖像輸入裝置或基于指紋的活體識別方法要裝入或用于蜂窩式電話和便攜式信息終端之類的移動設(shè)備中時，這種裝置的縮小尺寸的效果是非常顯著的優(yōu)點。
第三，在第一實施例的圖2所示的結(jié)構(gòu)中，只有必要的圖像數(shù)據(jù)被從圖像臨時存儲單元傳送至圖像存儲單元。因此，有可能避免用于分析指紋圖像系列的電路規(guī)模增大，并避免制造成本的上升。
盡管本發(fā)明已在一些優(yōu)選實施例中作了描述，對技術(shù)人員來說很明顯的是，所披露的發(fā)明，在發(fā)明的范圍內(nèi)，可以用多種方法修改，也可以設(shè)想許多實施例。
如至此所述，本發(fā)明的指紋圖像輸入裝置和基于指紋的活體識別方法，通過將手指按壓在檢測器表面上，采集多重指紋圖像，并與采集指紋圖像同步，檢測手指顏色，并在輸入多重指紋圖像期間，檢測反映加到手指上的壓力的物理量。本發(fā)明通過物理量和手指顏色之間的相關(guān)分析，確定手指是活的還是死的。因此，即使手指顏色沒有多大變化，如果與反映手指壓力的信息例如指紋的面積信息有足夠的相關(guān)的話，也能夠進行活體識別。
權(quán)利要求
1.一種指紋圖像輸入裝置，其特征在于包括圖像輸入單元，其用于順次地采集按壓在檢測器表面上的手指的多重指紋圖像；顏色檢測單元，其用于與所述多重指紋圖像的輸入同步地檢測所述手指的顏色；壓力檢測單元，其用于當(dāng)所述多重指紋圖像被采集時，檢測反映所述手指施加于檢測器表面的壓力的物理量；和判定單元，其用于通過分析所述物理量和手指顏色之間的相關(guān)性，判定所述手指是活的還是死的手指。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的指紋圖像輸入裝置，其特征在于所述顏色檢測單元包括用于計算所述多重指紋圖像的每一圖像中心特定面積的色彩平均值的電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的指紋圖像輸入裝置，其特征在于所述壓力檢測單元包括用于處理所述指紋圖像的電路，所述物理量是與接觸檢測器表面的所述手指面積有關(guān)的量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的指紋圖像輸入裝置，其特征在于所述壓力檢測單元以是位于所述圖像輸入單元的背面或外圍的壓力傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的指紋圖像輸入裝置，其特征在于所述圖像輸入單元是形成在透明襯底上并對電容或壓力敏感的指紋圖像傳感器，所述指紋圖像傳感器具有位于其背面的光源和彩色傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的指紋圖像輸入裝置，其特征在于所述圖像輸入單元具有帶有所述手指接觸面的棱鏡；光源，其向所述棱鏡發(fā)射光線，在傾斜方向照射所述手指；和光學(xué)系統(tǒng)，其聚焦從圖像傳感器上的與所述手指接觸的面返轉(zhuǎn)的光。
7.一種指紋圖像輸入裝置，其特征在于包括彩色圖像傳感器，其用于采集與圖像輸入表面緊密接觸的手指指紋的彩色圖像數(shù)據(jù)；圖像臨時存儲單元，其用于存儲所述指紋圖像數(shù)據(jù)；面積信息提取單元，其用于從所述指紋圖像數(shù)據(jù)中提取所述指紋的面積信息；色彩信息提取單元，其用于提取所述指紋的色彩信息；和活體識別單元，其用于通過檢驗所述面積信息和色彩信息之間的相關(guān)，參照預(yù)定的閾值以及為每種預(yù)定顏色所計算出的指紋面積的相關(guān)系數(shù)，判定所述手指是活的還是死的手指。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的指紋圖像輸入裝置，其特征在于所述面積信息提取單元，通過從所述指紋圖像數(shù)據(jù)中提取指紋脊和谷的計算，和計算指紋的所述脊和谷區(qū)的面積的計算，提取所述指紋的面積信息。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的指紋圖像輸入裝置，其特征在于所述色彩信息提取單元進行選擇所述指紋特定面積如所述指紋的中心區(qū)面積的計算，和用于計算在所述特定面積上紅(R)、綠(G)和藍(lán)(B)中的每一個的平均值的計算。
10.一種基于指紋的活體識別方法，其特征在于包括步驟采集與圖像輸入表面緊密接觸的手指的彩色指紋圖像數(shù)據(jù)；在臨時存儲器中存儲所述指紋圖像數(shù)據(jù)；從所述指紋圖像數(shù)據(jù)中提取所述指紋的面積信息；提取所述指紋的色彩信息；和通過檢驗所述面積信息和所述色彩信息之間的相關(guān)，參照預(yù)定的閾值以及為每種預(yù)定色彩所計算出的指紋面積的相關(guān)系數(shù)，判定所述手指是活的還是死的手指。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的基于指紋的活體識別方法，其特征在于所述面積信息的所述提取，是通過從所述指紋圖像數(shù)據(jù)中提取指紋脊和谷的計算和計算指紋的所述脊和谷區(qū)的面積的計算，提取所述指紋的面積信息。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的基于指紋的活體識別方法，其特征在于所述色彩信息的所述提取，是進行用于選擇所述指紋特定面積如所述指紋的中心區(qū)面積的計算，和用于計算在所述特定面積上紅(R)、綠(G)和藍(lán)(B)中的每一個的平均值的計算。
全文摘要
一種彩色圖像傳感器，當(dāng)手指按壓檢測器表面時，該傳感器順序采集多重指紋圖像。色彩信息提取單元與多重指紋圖像的輸入同步，提取手指顏色。面積信息提取單元檢測一種物理量，這個物理量代表多重指紋圖像被采集時，手指施加給彩色圖像傳感器的壓力?；铙w識別單元通過對物理量與手指顏色之間的相關(guān)分析，確定手指是活還是死的手指。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，即使手指顏色沒有多少變化，如果與反映手指壓力的指紋面積之類的信息有足夠的相關(guān)的話，也能夠把活體與死體區(qū)分開來。指紋輸入單元的厚度近似1－2mm，由平面光源的厚度和彩色圖像傳感器的厚度的總和確定。
文檔編號G01B11/24GK1404002SQ0214151
公開日2003年3月19日 申請日期2002年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月31日
發(fā)明者藤枝一郎 申請人:日本電氣株式會社